Abbildende Cherenkov-Teleskope haben in den letzten Jahren eine groẞe Anzahl neuer Gammastrahlungsquellen im Bereich sehr hoher Energien (VHE, very high energy, E>100 GeV) entdeckt. Diese Studie behandelt Vertreter von drei unterschiedlichen Klassen von galaktischen Gammastrahlungsquellen: die Supernova-Überreste G1.9+0.3 und G330.2+1.0, den Pulsarwind-Nebel HESS J1303-631 und das Binärsystem PSR B1259-63/LS 2883. Für alle Objekte werden die Analyse der H.E.S.S.-Daten und die Modellierung der Emission unter Einbeziehung von Daten aus anderen Wellenlängenbereichen dargestellt. / Recently, imaging atmospheric Cherenkov telescopes have discovered numerous new sources representing various source classes in the very high energy (VHE; E>100 GeV) sky. This work presents studies of representatives of three types of Galactic VHE emitters: the Supernova remnants G1.9+0.3 and G330.2+1.0, the pulsar wind nebula HESS J1303-631 and the binary system PSR B1259-63/LS 2883. The analysis of the H.E.S.S. data and the broadband emission modeling are presented.

In der Astronomie zeigen viele Quellen ein veränderliches Verhalten, das in manchen Fällen sehr kurz sein und im Bereich von Sekunden bis Minuten liegen kann. Beispiele dafür sind Gammablitze (GB) und aktive Galaxienkerne (AGK). Um die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse besser zu verstehen, ist eine Messung der Photonenflussänderung notwendig. Allerdings kann die Entdeckung sehr kurzzeitiger Ausbrüche im sehr hochenergetischen Bereich des Spektrums, für welche Cherenkov Teleskope, wie VERITAS, zum Einsatz kommen, schwierig sein. Die Ursache dafür ist der hohe Untergrund und die relativ niedrige Signalrate. Diese Arbeit behandelt die Implementierung fortschrittlicher und für die Entdeckung signifikanter Ratenänderung optimierter, statistischer Methoden (exp-test and Bayesian-Blocks) innerhalb der VERITAS-Analyse. Das Verhalten dieser Methoden wird anhand von Daten minutenlanger Ausbrüche, die mittels Monte-Carlo-Technik für zwei unterschiedliche VERITAS Stadien simuliert wurden (vor und nach der Hardware-Aufrüstung), bewertet und miteinander verglichen. Die fortschrittlichen Methoden verbessern die Empfindlichkeit bei der Entdeckung von kurzzeitigen Ausbrüchen, wenn deren Fluss den des Krebsnebels übersteigt (Krebsnebel-Einheit = K.E.). Es sind nun Ausbrüche von 2 K.E. selbst dann nachweisbar, wenn deren Dauer nur 100 Sek. beträgt. Dies ist mit der Standardmethode nicht möglich. Im darauffolgenden Schritt dieser Arbeit werden das Nachglühen von 6 GB sowie die 450, ebenfalls mit VERITAS erzeugten, Aufnahmen von AGK-Quellen mittels der fortschrittlichen Methoden analysiert. In keiner der AGK-Aufnahmen wird eine signifikante Entdeckung kurzzeitiger Variabilität gemacht, was mit den anerkannten AGK-Modellen übereinstimmt. Auch die Untersuchung des Nachglühens der 6 GB offenbart keine kurzen Ausbrüche im GeV-TeV Bereich. Jedoch ist es für 2 von ihnen möglich, ein oberes Flusslimit von 1.25 K.E. (3,7 · 10^(−10) erg/(cm^2*s) [0,1;10 TeV]) abzuschätzen. / In astronomy, many of the observed sources show a transient behavior. Examples are gamma-ray bursts (GRBs) and active galactic nuclei (AGN). For those source types the variability can be very short, in the order of seconds to minutes. Measuring the flux variations is necessary to understand the underlying physical processes responsible for the emission. However, the detection of very short flares can be difficult in the very high-energy range, in which imaging atmospheric Cherenkov telescopes like VERITAS are operating. This is due to the large background and the comparable low signal rates. This thesis discusses the implementation of advanced statistical methods (exp-test and Bayesian-Blocks) into the VERITAS analysis framework, that are optimized for the detection of significant variations in the event rate. The performance of these methods is evaluated and compared by using Monte Carlo simulations of minute scale flares for two different VERITAS states, pre- and post-hardware-upgrade. It is shown that the advanced methods can improve the detection sensitivity for short flares with high fluxes of more than the Crab flux (Crab unit = C.U.). For example, flares at 2 C.U. with short durations down to 100 sec are now detectable, which is not possible with the standard method. In the next step of this thesis, 6 GRB afterglows and 450 runs of AGN data, observed by VERITAS, are analyzed with the advanced methods. In none of the AGN runs a significant detection of short time variability is made, which is in consistence with the canonical AGN models. The investigation of the 6 GRB afterglows also did not reveal any short flares in the GeV-TeV range. However, for two of them it was possible to estimate an upper flux limit of 1.25 C.U. (3,7 * 10^(−10) erg/(s*cm^2) [0,1;10 TeV]).

PSR B1259-63 ist ein Binärsystem in welchem ein Pulsar um einen massereichen Be-Stern kreist. Dieses System weist variable, nicht thermische Strahlung um den Periastron herum auf, welche vom Radiobereich bis zu sehr hohen Energien (engl. very-high-energy VHE; E > 100 GeV) sichtbar ist. Die vorliegende Dissertation präsentiert VHE Daten des Systems, gemessen in den Jahren 2005, 2006 b.z.w. vor und kurz nach dem Periastron im Jahr 2007. Diese Daten erweitern das Wissen um die Lichtkurve dieses Objektes über alle Phasen der Umlaufbahn. Diese Daten wurden mit den H.E.S.S. Teleskopen gewonnen. Gamma-Strahlung in einem Energiebereich von 0.5-70 TeV wurde gemessen. Von PSR B1259-63 wurde, unter Verwendung von 55 h Detektorzeit im Jahr 2007, VHE Strahlung mit einer Gesamtsignifikanz von 9.5 Sigma detektiert. Der monatliche Photonen-Fluss wurde vermessen was erstmals zu VHE Lichtkurvendaten noch weit vor dem Periastron führte. PSR B1259-63 wurde auch in den Jahren 2005 und 2006, weit weg vom Periastron, ueberwacht. Hierbei war kein signifikanter Ueberschuss an gamma-Strahlung über Untergrund zu verzeichnen. Die signifikante Detektion von VHE Photonen, die bei einer wahren Anomalie von -0.35 , also bereits 50 Tage vor dem Periastron, ausgesendet wurden, schliesst ein Szenario mit stellarer Scheibe als Zielmaterial für hadronische Wechselwirkungen als Hauptemissionsmechanismus eher aus. Weiters konnten innerhalb einer phänomenologischen Studie Hinweise gefunden werden, dass PSR B1259-63 ein periodischer VHE Strahler ist. Darüber hinaus wurden Modellrechnungen, die auf inverser Comptonstreuung (IC) von schockbeschleunigten Pulsarwindelektronen basieren, durchgeführt. Das dargestellte Modell berücksichtigt strahlungsfreie Verluste, die möglicherweise im Bereich, in dem der Pulsarwind terminiert wird, eine Rolle spielen. Die gefundenen Ergebnisse zeigen ein eigentümliches nicht radiatives Kühlverhalten um den Periastron, das die VHE Emission in PSR B1259-63 dominiert. / PSR B1259-63 is a binary system where a 48 ms pulsar orbits a massive Be star. The system exhibits variable, non-thermal radiation around periastron visible from radio to very high energies (VHE; E>100 GeV). This thesis presents VHE data from PSR B1259-63 as taken during the years 2005, 2006 and before as well as shortly after the 2007 periastron passage. These data extend the knowledge of the lightcurve of this object to all phases of the binary orbit. Observations of VHE gamma-rays with the H.E.S.S. telescope array were performed. Gamma-ray events in an energy range of 0.5-70 TeV were recorded. VHE gamma-ray emission from PSR B1259-63 was detected with an overall significance of 9.5 standard deviations using 55 h of exposure, obtained in 2007. The monthly flux of gamma-rays during the observation period was measured, yielding VHE lightcurve data for the early pre-periastron phase of the system for the first time. PSR B1259-63 was also monitored in 2005 and 2006, far from periastron passage, comprising 8.9 h and 7.5 h of exposure, respectively. No significant excess of gamma-rays is seen in those observations. The firm detection of VHE photons emitted at a true anomaly of -0.35 of the pulsar orbit, i.e. already ~50 days prior to the periastron passage, disfavors the stellar disc target scenario as a primary emission mechanism, based on current knowledge about the companion star''s disc inclination, extension, and density profile. In a phenomenological study indirect evidence that PSR B1259-63 could in fact be a periodical VHE emitter is presented using the TeV data discussed in this work. Moreover, model calculations based on inverse compton (IC) scattering of shock accelerated pulsar wind electrons were performed. The model presented accounts for non-radiative losses possibly at work in the region where the pulsar wind is shocked by stellar outflows. The presented results show a peculiar non-radiative cooling profile around periastron dominating the VHE emission.

Das Gebiet der bodengebundenen Gamma-Astronomie bietet Zugang zu Photonen im TeV-Energiebereich und hat sich in den letzten Jahrzehnten vor allem durch den Erfolg der abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Technik profiliert. In dieser Arbeit werden zwei dieser Cherenkov-Teleskop-Systeme, VERITAS und das zukünftige CTA, mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen in Hinblick auf deren Sensitivität auf hochenergetische Gammastrahlung (E > 50 GeV) untersucht. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf die Beobachtungsmöglichkeit mit CTA unter Mondlicht gelegt. Es wird gezeigt, dass dadurch eine Beobachtungszeitverlängerung um etwa 30% ohne signifikante Sensitivitätsverluste erreicht werden kann, was besonders wichtig für zeitlich variable Quellen ist. Eine dieser variablen Quellklassen sind aktive Galaxienkerne, welche zur Zeit etwa ein Drittel der bekannten hochenergetischen Gammastrahlungsquellen repräsentieren. Die meisten davon sind Blazare, deren Emission durch nicht-thermische Strahlung aus gebündelten Strömen von Materie und Energie (sogenannten Jets) dominiert wird. Diese Jets breiten sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit aus und sind in Sichtlinie des Betrachters ausgerichtet. Der Blazar B2 1215+30 wurde zwischen 2008 und 2012 mit VERITAS fast 100 Stunden beobachtet. Die Datenanalyse, welche in dieser Arbeit präsentiert wird, weist die Quelle mit einer Signifikanz von neun sigma nach und offenbart Langzeitvariabilität mit einem hellen Flusszustand im Jahr 2011. Multi-Wellenlängen-Daten werden verwendet um die spektrale Energieverteilung von B2 1215+30 zu konstruieren, welche gut mit einem leptonischen Ein-Zonen-Modell beschrieben werden kann. Das verwendete Modell wird im Detail vorgestellt und mögliche Einschränkungen an den Modellparameterraum untersucht. Die Ergebnisse der Modellierung von B2 1215+30 werden diskutiert und in Zusammenhang mit anderen bekannten hochenergetischen Gammastrahlen-Blazaren gesetzt. / Ground-based gamma-ray astronomy, which provides access to photons in the TeV energy range, has been a rapidly developing discipline over the past decades. In this thesis, the performance of the current- and next-generation imaging atmospheric Cherenkov telescopes VERITAS and CTA is evaluated using Monte Carlo simulations. Special emphasis is given to the possible extension of the duty cycle of CTA. It is shown that an increase of about 30% in observation time can be achieved through operation under partial moonlight without significant losses in performance. The increased observation time is especially important when studying astronomical objects which are variable at very high energies (VHE; E>50 GeV), such as active galactic nuclei (AGN), as this allows the extension of monitoring or multi-wavelength campaigns on these occasionally flaring sources. AGN represent to date about one third of the population of known VHE gamma-ray sources. Most of them are blazars, whose emission is dominated by non-thermal radiation of relativistic jets closely aligned to the line of sight of the observer. The blazar B2 1215+30 has been observed by VERITAS for nearly 100 hours between 2008 and 2012. The data analysis presented in this thesis yields a detection significance of 9.0 sigma and shows long-term variability with a relatively bright flux state in 2011. Multi-wavelength data are used to construct the spectral energy distribution of B2 1215+30 which is well described by a one-zone leptonic model. The model is presented in detail and possible constraints are investigated. The results of the modeling are discussed and put in context with other VHE-detected blazars.

Diese Arbeit beschreibt die Identifikation der bisher unidentifizierten TeV Gammastrahlungsquelle, HESS J1303-631 als Pulsarwind-Nebel, angetrieben von dem Pulsar PSR J1301-6305. Dieses Ergebnis wird durch den Nachweis von energieabhängiger Morphologie in den vom High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) genommenen Daten und durch die Detektion eines neuen Röntgen-Pulsarwind-Nebels in XMM-Newton Daten erreicht. Zudem wird eine obere Schranke auf den Fluss von Radiostrahlung aus Beobachtungen mit dem Parkes Radioteleskop bei 4.48 GHz abgeleitet. Diese Ergebnisse können in einem leptonischen Modell des Pulsarwind-Nebels verstanden werden, wo Elektronen und Positronen in der Nähe des Termination Shocks des Pulsarwindes auf ultrarelativistische Energien beschleunigt werden. Diese Leptonen bilden einen ausgedehnten Pulsarwind-Nebel, der auf Grund des inversen Compton-Effekts und Synchrotronstrahlung TeV Gammastrahlung beziehungsweise Röntgen- und Radiostrahlung erzeugt. Da nur eine obere Grenze auf den Radiofluss abgeleitet wurde, erfolgte die Modellierung im Rahmen eines einfachen ``one zone models'''', wo angenommen wird, dass die Radio-, Röntgen- und Gammastrahlung alle von derselben Leptonenpopulation erzeugt werden. Das Modell wird aber trotzdem von den Daten schon eingeschränkt und liefert ein schwaches Magnetfeld von ungef 0.9 Microgauss. Diese Magnetfeldstärke ist überraschend niedrig, da in ähnlichen Systemen die Magnetfeldstärken eher bei 10 Microgauss liegen. Andererseits passt das Ergebnis gut zu dem sehr niedrigen Synchrotronstrahlungsfluss. Ein derart schwaches Magnetfeld wird im theoretischen Szenario eines ausgedehnten, beziehungsweise entwickelten Pulsarwind-Nebels erklärt. / This work represents the identification of the very high energy, E > 100 GeV (VHE), Gamma-ray source HESS J1303-631 as a pulsar wind nebula (PWN) powered by the pulsar PSR J1301-6305. This is achieved through the detection of energy dependent morphology in the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) data, the detection of a new X-ray PWN in archival XMM-Newton X-ray observations, as well as multi-wavelength modeling of the source and its energetics. An upper limit on the radio synchrotron flux is obtained from observations made by the Parkes telescope at 4.48 GHz. The combined Gamma-ray, X-ray and radio measurements are used to constrain a leptonic emission model, where strong winds of relativistic electrons and positrons from the pulsar power the acceleration of particles to ultrarelativistic energies at the wind termination shock region, and these shock accelerated leptons then form a nebula which emits in the X-ray and radio bands via synchrotron emission in the ambient magnetic field and Gamma-rays through the inverse Compton mechanism. One surprising result of this analysis is the anomalously low magnetic field derived for the PWN. Typical values for PWNe are on the order of 10 microgauss. For this source, however, the low synchrotron levels predict an average magnetic field of approximately 0.9 microgauss. The low magnetic field is explained in the scenario of an expanded/evolved PWN.

Après plus d'un siècle d'étude des rayons cosmiques, des questions persistent à propos de leur origine. À l'échelle de notre galaxie, les vestiges de supernovæ sont d'excellents candidats en tant que sources de rayons cosmiques et il est aujourd'hui avéré que ces ondes de choc générées par l'explosion d'étoiles en fin de vie accélèrent des électrons jusqu'au TeV. Cependant, des preuves tangibles manquent toujours pour confirmer que les protons, qui représentent ~90% du rayonnement cosmique, y sont également accélérés. Ces preuves sont à chercher entre 100 MeV et 10 GeV où la forme spectrale de l'émission gamma nous renseigne sur la nature des particules accélérées.Ce domaine en énergie est observé par le satellite Fermi qui scrute le ciel à haute énergie grâce au Large Area Telescope (LAT), un instrument capable de détecter les rayons gamma d'énergies comprises entre 20 MeV et plus de 300 GeV. Avec la dernière version des données en date (Pass 8) rendue publique en 2015, la surface efficace a été sensiblement accrue, notamment à haute énergie. L'objet de cette thèse a été de mettre à profit les nouvelles performances du LAT pour étudier le rayonnement provenant de jeunes vestiges de supernovæ en coquille afin d'évaluer leur capacité à accélérer des particules à haute énergie. Au total, quatre vestiges de ce type ont été étudiés en détail : RCW 86, HESS J1731-347, SN 1006 et RX J1713.7-3946.L'analyse morphologique et spatiale de ces sources nous a menés à d'importants résultats : HESS J1731-347 et SN 1006 ont été détectés pour la première fois au GeV, nous avons mis en évidence une morphologie en coquille pour RCW 86 qui était précédemment détectée comme une source ponctuelle et RX J1713.7-3946 a révélé une forme spectrale plus complexe que ce qui était alors connu. Grâce à la modélisation de l'émission non-thermique de ces sources, en s'aidant des données au TeV obtenues par H.E.S.S., nous avons montré que leur émission gamma est très largement dominée par le rayonnement Compton inverse des électrons de haute énergie diffusant sur les champs de photons ambiants. Cependant, des modifications spectrales ont également été trouvées dans certaines parties de SN 1006 et RX J1713.7-3946 où l'onde de choc est en interaction avec des régions denses en matière, traçant la possible accélération de protons en leur sein. / After more than a century of cosmic-ray studies, questions about their origin remain unanswered. In our galaxy, supernova remnants are excellent candidates to be the sources of cosmic rays and it is now certain that these shock waves created by the explosion of dying stars accelerate electrons up to TeV energies. However, undeniable proof is still missing to confirm that protons, which represent ~90% of the cosmic radiation, are also accelerated. Such proof can be searched for between 100 MeV and 10 GeV, where the spectral shape of the gamma-ray emission changes according to the nature of the particles that are accelerated.This energy range is covered by the Fermi spacecraft which observes the high energy sky with the Large Area telescope (LAT), an instrument detecting gamma-rays from 20 MeV to more than 300 GeV. With the latest version of the data, released in 2015 (Pass 8), the effective area has been greatly improved, especially at high energy. The goal of this thesis was to take advantage of the improved performance of the LAT to study the radiation coming from young shell-type supernova remnants and to evaluate their ability to accelerate particles to high energy. Four such remnants were studied in detail: RCW 86, HESS J1731-347, SN 1006 and RX J1713.7-3946.Spatial and spectral analyses of these sources yielded important results: HESS J1731-347 and SN 1006 were identified for the first time in the GeV range, we detected a shell-like morphology for RCW 86 which was previously seen as a point source, and RX J1713.7-3946 revealed an unexpected spectral shape. Broadband modeling of the non-thermal emission of these remnants, using in particular TeV data obtained with H.E.S.S., showed that their gamma-ray emission is dominated by the inverse Compton scattering of electrons on ambient photon fields. However, we also found spectral modifications in some parts of SN 1006 and RX J1713.7-3946 where the shock is interacting with dense regions that could trace the acceleration of protons.

Dédié à l’étude de l’astronomie gamma, le satellite Fermi a été lancé le 11 juin 2008. Il comporte à sonbord l’instrument Large Area Telescope (LAT), sensible au rayonnement gamma dans la gamme d’énergie de20 MeV à 300 GeV. Bien que la nébuleuse du Crabe ait été étudiée dans la gamme d’énergie 70 MeV à 30GeV couverte par son précédesseur, l’expérience CGRO-EGRET, aucune nébuleuse n’a jamais été clairementidentifiée dans le domaine des rayons gamma de haute énergie jusqu’au lancement de Fermi.Les pulsars alimentent les nébuleuses qui les entourent par l’injection permanente d’un vent d’électrons etpositrons relativistes qui, accélérés au niveau de l’onde de choc délimitant les nébuleuses de pulsars, émettentun rayonnement pouvant être observé dans les différents domaines du spectre électromagnétique, et notammentdans le domaine des rayons gamma de haute énergie.Les données recueillies par le Fermi-LAT au cours des deux premières années de mission ont désormaispermis la détection et l’identification de trois nébuleuses et de leurs pulsars associés (nébuleuses du Crabe, deVela-X et de MSH 15-52) ainsi que de la nébuleuse de pulsar HESS J1825-137 découverte par les instrumentsau sol dédiés à l’astronomie gamma de très haute énergie.Les résultats des analyses temporelle, spectrale et morphologique réalisées sur les systèmes pulsars/nébuleuses détectés par le LAT sont exposés dans ce manuscrit. La synthèse des études systématiquesréalisées (i) dans les régions comportant un pulsar émetteur en rayons gamma et (ii) dans les régions comportant une source émettrice de rayons gamma de très haute énergie étant identifiée en tant que nébuleuse depulsar ou candidate en tant que telle, sont également présentés dans cette thèse. Ces études apportent de nouvelles contraintes sur les propriétés physiques des sources ainsi que sur les mécanismes de rayonnement mis enjeu dans la magnétosphère des pulsars et au sein de leurs nébuleuses. / The Fermi Gamma-ray Space Telescope was launched on 2008 June 11, carrying the Large Area Telescope(LAT), sensitive to gamma-rays in the 20 MeV – 300 GeV energy range. The Crab Nebula had been detectedand studied in the 70 MeV – 30 GeV band using the CGRO-EGRET experiment, but no pulsar wind nebula(PWN) had ever been firmly identified in the high energy gamma-ray domain.PWNe are powered by the constant injection of a relativistic wind of electrons and positrons from theircentral pulsars. These charged particles are accelerated at the shock front forming the PWN and emit photons which can be observed along the entire electromagnetic spectrum, including the high energy gamma-raydomain.Data provided by the Fermi-LAT during the first two years of the mission have allowed the detection andthe identification of three PWNe and their associated pulsars (Crab Nebula, Vela X and MSH 15-52) as well asthe PWN HESS J1825-137 discovered by ground-based experiments sensitive to very high energy gamma-rays.Results of temporal, spectral and morphological analyses of the pulsar/PWN systems detected by Fermi-LAT, as well as results of systematic studies performed (i) around every gamma-ray pulsar detected by the LATand (ii) around every very high energy source identified as a PWN or a PWN candidate are presented in thisdissertation. These studies bring new insights and constraints on the physical properties of the sources as wellas on emitting processes in pulsar magnetospheres and in PWNe.

In this thesis, we present the Monte Carlo study of two prototypes of tele- scopes for the Cherenkov Telescope Array (CTA) observatory, followed by the first data analysis partially using our reconstruction pipeline based on Random Forests. The Monte Carlo model of the SST-1M prototype is created and val- idated by comparison with data. Using the precise Monte Carlo models, we evaluate the performance of the SST-1M and LST-1 prototypes, working so-far in mono-regime as standalone telescopes, resulting in their energy and angular resolution, and the differential sensitivity. We also present an analysis of the data from the first two Crab Nebula observation campaigns conducted with the LST-1 telescope. In the last part of the thesis, we present a study of aerosol optical depth of the atmosphere above both future sites of the CTA observa- tory, retrieved from photometric measurements of Sun/Moon photometers. We focus on the photometer in-situ calibration for nocturnal measurements and introduce corrections to minimize systematic shifts between diurnal and noc- turnal measurements. Using the developed methods, we present the aerosol characterization of both CTA sites based on the photometric data. 1

La thèse porte sur le développement d’un petit prototype de télescope Compton pour l'astronomie gamma spatiale dans la gamme d’énergie du MeV (0.1-100 MeV). Nous avons étudié de nouveaux modules de détection destinés à l'imagerie Compton. Nous avons assemblé et testé deux détecteurs à scintillation, l'un avec un cristal de bromure de lanthane dopé au cérium (LaBr₃:Ce) et l'autre avec un cristal de bromure de cérium (CeBr₃). Les deux cristaux sont couplés à des photomultiplicateurs multi-anodes 64 voies sensibles à la position. Notre objectif est d’optimiser la résolution en énergie en même temps que la résolution en position du premier impact d'un rayon gamma incident dans le détecteur. Les deux informations sont vitales pour la reconstruction d'une image avec le prototype de télescope à partir de l’effet Compton. Nous avons développé un banc de test pour étudier expérimentalement les deux modules, avec une électronique de lecture et un système d'acquisition de données dédiés. Nous avons entrepris un étalonnage précis du dispositif et effectué de nombreuses mesures avec différentes sources radioactives. En outre, nous avons réalisé une simulation numérique détaillée de l'expérience avec le logiciel GEANT4 et effectué une étude paramétrique extensive pour modéliser au mieux la propagation des photons ultraviolet de scintillation et les propriétés optiques des surfaces à l'intérieur du détecteur. Nous avons alors développé une méthode originale de reconstruction de la position d’impact en 3D, en utilisant un réseau de neurones artificiels entrainé avec des données simulées. Nous présentons dans ce travail tous les résultats expérimentaux obtenus avec les deux modules, les résultats de la simulation GEANT4, ainsi que l'algorithme basé sur le réseau de neurones. En plus, nous donnons les premiers résultats sur l'imagerie Compton obtenus avec le prototype de télescope et les comparons avec des performances simulées. Enfin, nous concluons en donnant un aperçu des perspectives d'avenir pour l'imagerie gamma Compton et considérons une application possible en discutant d’un concept de télescope spatial semblable à notre prototype. / The thesis aims to develop a small prototype of a Compton telescope for future space instrumentation for gamma-ray astronomy. Telescope’s main target is the MeV range (0.1-100MeV). We studied novel detector modules intended for Compton imaging. We assembled and tested 2 modules, one with a cerium-doped lanthanum(III) bromide (LaBr₃:Ce) crystal and the other with cerium(III) bromide (CeBr₃). Both modules are coupled to and read out by 64-channel multi-anode PMTs. Our goals are to obtain the best possible energy resolution and position resolution in 3D on the first impact of an incident gamma-ray within the detector. Both information are vital for successful reconstruction of a Compton image with the telescope prototype. We developed a test bench to experimentally study both modules and have utilized a customized readout electronics and data acquisition system. We conducted a precise calibration of the system and performed experimental runs utilizing different radioactive sources. Furthermore, we have written a detailed GEANT4 simulation of the experiment and performed an extensive parametric study on defining the surfaces and types of scintillation propagation within the scintillator. We utilized simulated data to train an Artificial Neural Network (ANN) algorithm to create a simplified 3D impact position reconstruction method and in addition developed an approximation routine to estimate the standard deviations for the method. We show all experimental results obtained by both modules, results from the GEANT4 simulation runs and from the ANN algorithm. In addition, we give the first results on Compton imaging with the telescope prototype and compare them with simulated performance. We analyzed and discussed the performance of the modules, specifically spectral and position reconstruction capabilities. We conclude by giving an overview of the future prospects for gamma-ray imaging and consider possible applications showing a concept of a space telescope based on our prototype.

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen semi-analytischen Ansatz zur Modellierung der Dichteverteilung von DM im Galaktischen Halo. Aus den verschiedenen Substrukturmodellen wird die γ-Strahlungsintensität, welche die Erde erreicht, berechnet. Eine Spannbreite plausibler γ-Strahlungsintensitäten aufgrund der Paarvernichtung Galaktischer DM wird vorgeschlagen, welche die Vorhersagen verschiedener früherer Studien umfasst, und es werden die durchschnittlichen Massen, Abstände und ausgedehnten Strahlungsprofile der γ-strahlungsintensivsten DM-Verdichtungen berechnet. Schließlich werden die DM-Modelle für eine umfassende Berechnung der Nachweismöglichkeit Galaktischer Substrukturen mit CTA verwendet. Die instrumentelle Sensitivität zum Nachweis der γ-strahlungsintensivsten DM-Substruktur wird für eine mit CTA geplanten großflächigen Himmelsdurchmusterung außerhalb der Galaktischen Ebene berechnet. Die Berechnung wird mit CTA Analyse- Software und einer Methode durchgeführt, welche auf einer Likelihood beruht. Eine alternative, ebenfalls Likelihood-basierte Analysemethode wird entwickelt, mit welcher DM-Substrukturen als äumliche Anisotropien im Multipolspektrum des Datensatzes einer Himmelsdurchmusterung nachgewiesen werden können. Die Analysen ergeben, dass eine Himmelsdurchmusterung mit CTA und eine anschließende Suche nach γ-Strahlung von DM-Substrukturen Wirkungsquerschnitte für eine Paarvernichtung in der Größenordnung von (σv) > 1 × 10−24 cm3 s−1 für eine DM-Teilchenmasse von mχ ∼ 500 GeV auf einem Vertrauensniveau von 95% ausschließen kann. Diese Sensitivität ist vergleichbar mit Langzeitbeobachtungen einzelner Zwerggalaxien mit CTA. Eine modellunabhängige Analyse ergibt, dass eine Himmelsdurchmusterung mit CTA Anisotropien im diffusen γ-Strahlungshintergrund oberhalb von 100 GeV für relative Schwankungen von CPF > 10−2 nachweisen kann. / In the current understanding of structure formation in the Universe, the Milky Way is embedded in a clumpy halo of dark matter (DM). Regions of high DM density are expected to emit enhanced γ-radiation from the DM relic annihilation. This γ-radiation can possibly be detected by γ-ray observatories on Earth, like the forthcoming Cherenkov Telescope Array (CTA). This dissertation presents a semi-analytical density modeling of the subclustered Milky Way DM halo, and the γ-ray intensity at Earth from DM annihilation in Galactic subclumps is calculated for various substructure models. It is shown that the modeling approach is able to reproduce the γ-ray intensities obtained from extensive dynamical DM simulations, and that it is consistent with the DM properties derived from optical observations of dwarf spheroidal galaxies. A systematic confidence margin of plausible γ-ray intensities from Galactic DM annihilation is estimated, encompassing a variety of previous findings. The average distances, masses, and extended emission profiles of the γ-ray-brightest DM clumps are calculated. The DM substructure models are then used to draw reliable predictions for detecting Galactic DM density clumps with CTA, using the most recent benchmark calculations for the performance of the instrument. A Likelihood-based calculation with CTA analysis software is applied to find the instrumental sensitivity to detect the γ-ray-brightest DM clump in the projected CTA extragalactic survey. An alternative Likelihood-based analysis method is developed, to detect DM substructures as anisotropies in the angular power spectrum of the extragalactic survey data. The analyses predict that the CTA extragalactic survey will be able to probe annihilation cross sections of ⟨σv⟩ > 1 × 10−24 cm3 s−1 at the 95% confidence level for a DM particle mass of mχ ∼ 500 GeV from DM annihilation in substructures. This sensitivity is compatible with long-term observations of single dwarf spheroidal galaxies with CTA. Independent of a particular source model, it is found that the CTA extragalactic survey will be able to detect anisotropies in the diffuse γ-ray background above 100 GeV at a relative amplitude of CP_F > 10−2.